(最新)fenton__印染水处理研究 10页

'Fenton试剂深度处理印染废水的研究摘要:Fenton试剂是由H2O2和Fe2+组成的氧化体系，它适用于某些难治理的或对生物有毒性的工业废水的处理，且由于具有反应迅速、温度和压力等反应条件缓和且无二次污染等优点，近30年来，其在工业废水处理中的应用越来越广泛。本文主要研究Fenton试剂对印染企业的废水的氧化作用，探究H2O2和Fe2+的加入量、温度、反应时间、PH对于氧化效果的影响，试验通过对实验条件下CODCR值的变化情况来研究该试剂对印染废水的处理效果。分别以茜素红溶液和甲基红溶液分别作为水溶性染料和分散性染料的代表，其分别配置的模拟印染废水为水处理对象，通过单因素及正交试验，研究分析Fenton氧化法处理后的废水色度和CODCRCr的影响因素，确定最佳反应条件。关键词:Fenton试剂;茜红素;甲基红;实验条件;CODCr；色度去除率引言随着我国经济建设的不断深入，东部地区出现了许多服装布料生产厂家，产生了大量的印染废水，排入了长江以及周边的河流，给生态环境带来了严重的破坏，国家已经出台了相关的法律法规规定谁污染谁治理，所以企业对于印染废水的处理问题提上了日程。Fenton试剂是一种可以高效净化印染废水的试剂，越来越得到大规模的应用。Fenton试剂处理废水节约资金且高效，不会造成二次污染，对于实验条件的要求不苛刻，已经大规模的应用在印染废水的处理中了。1.印染废水概况及Fenton试剂的优势印染厂是工业废水的主要排放大户，严重污染了我国的水体。印染废水中主要含有污物、油脂以及一些表面活性剂、酸碱剂、染料、色素，成分相当复杂，净化难度非常大。印染废水有机物成分复杂，对于人体和环境的伤害程度非常大，颜色深，PH范围广，是非常难以处理的一类废水。而且纺织印染业不断开展新业务，使得印染废水的成分更加复杂，传统的一些废水处理技术早已不能满足要求，新型废水的CODCR（化学溶氧量）飙升至一个很高的水平，如何对该复杂的废水进行处理，是困惑各厂的技术难题。近些年，人们发现Fenton试剂法对于处理复杂的印染废水有着独到的作用，且具有诸多优点。首先Fenton试剂反应可以长生大量具有强氧化性的羟基自由基，和污染物反应具有快速、无选择性的特点；其次Fenton氧化是一种物理—— 化学过程，很容易加以控制，对设备的要求不高；它既可以作为单独的处理单元，又可以和其他的工艺相匹配，应用灵活方便。正是由于Fenton试剂具有这些对于工业生产大有裨益的特点，所以越来越广泛的应用在了印染废水处理中。2.Fenton试剂氧化作用的影响因素2.1PH值由于Fenton试剂是由H2O2和Fe2+组成的氧化体系，溶液不同的PH值对于Fe2+的存在形式产生巨大的影响，在酸性条件下试剂才能产生强氧化性的羟基，所以Fenton试剂只在酸性条件下才能起到氧化作用，可见PH对于该试剂的氧化作用的效果产生巨大的影响。前人大量的研究发现在PH值3.0时，试剂的氧化作用最强。2.2Fenton试剂的配比在Fenton试剂中，Fe2+是催化H2O2产生强氧化性的羟基的催化剂，不同浓度的Fe2+的催化效果不同，浓度低时，催化产生的强氧化性羟基的浓度太低，不能使该试剂发挥作用，当低至零是，试剂完全失效，不能氧化废水。但是不是Fe2+的浓度越高越好，浓度过高，H2O2和Fe2+发生氧化还原反应，H2O2被还原，Fe2+被氧化成Fe3+。这是的试剂也就失去效果了，所以Fenton试剂的配比，即H2O2和Fe2+的浓度比对于试剂的氧化效果作用巨大。2.3反应温度温度越高，分子的能量越高，分子的运动越剧烈，相互碰撞越频繁，反应速度越快。Fenton试剂不仅有正反应，还有副反应，是一种复杂的反应体系，温度单纯的升高不仅加快了正反应速度，也加快了副反应速度，所以看出不能靠一味的升高温度来使得反应速度加快。大量的研究表明温度对于不同的反应体系有着不同的影响。2.4投加方式Fenton试剂在不同的成分配比时有不同的作用，当催化剂Fe2+的浓度大于H2O2的浓度时，该试剂会产生絮状沉淀。相反的试剂配比才具有化学氧化作用，不同配比的试剂在一次投加和二次投加时对于反应的影响不同。3.Fenton试剂深度处理印染废水的实验部分3.1实验试剂FeSO4.H2O（分析纯)；H2O2(质量分数为30%)(分析纯)；98%H2SO4(化学纯)；茜素红和甲基红溶液3.2实验仪器TJ6系列程控混凝试验搅拌仪一台；型号为PHS-3C的PH计一台；7200分光光度计一台；电子天平一台3.3过氧化氢理论投料量的计算方法 CODCR是化学需要量的简称，指的是将1L水中的有机物彻底氧化所需要的氧的量，Fenton试剂在反应时产生的活泼的羟基将废水中的有机物氧化，但是我们为了计算所需要的双氧水的含量就不得不将复杂的实际内部的反应简化为每摩尔双氧水氧化有机物只提供一摩尔的氧原子，我们在计算式，可以对废水的CODCR进行假设，设其值是1000mg/L，则可计算出彻底氧化该废水中的有机物需要消耗的双氧水的物质的量为0.0625mol/L，由30%的过氧化氢的密度折合完每升废水需要加入的过氧化氢的量为6.38ml。在实际计算时则需要检测实验所用印染废水的CODCR值，再按上述步骤进行计算就可以得出本实验中Fenton试剂中需要的双氧水的量。3.4正交试验设计Fenton试剂氧化法受许多因素的影响，不仅包括温度、配比、投料，还包括PH以及动力学因素，各因素作用的机理前面已经述及。本文选取对Fenton氧化法去除色度和CODCr有影响的几种因子（双氧水浓度，亚铁离子浓度，PH值，反应时间）为因素，并在各种因子实验值内均匀选取水平值进行正交实验，以确定各种因子对除色影响的次序大小及影响趋势。表3.1正交因素水平表（茜红素）废水水样30%H2O2（ml/L）APHBFeSO4.H2O(ml/L)C反应时间（min）D水平一0.25210010水平二0.50315020水平三1.00420030表3.2正交实验结果表（茜红素） 序号ABCD色度去除率(%)CODCr1111135.629.22122280.276.43133350.441.64212375.869.85223178.367.46231258.541.87313246.332.48321359.245.69332136.824.5极差分析色度K1j166.2157.7153.7150.7K2j212.6217.7192.8185K3j142.3145.7175185.4Rj70.37239.539.3极差分析CODCRcr去除K1j147.2131.4116.6121.1K2j179189.4170.7150.6K3j102.5107.9141.4157Rj76.581.454.1157从正交试验的结果可以看出：无论是从色度去除方面，还是从CODCRCr去除方面考虑，由极差分析可知，茜素红溶液和甲基红溶液中影响处理效果的因素重要性顺序均为B>A>C>D，即在所选定的影响因素中，在设计试验范围内影响Fenton氧化法处理效果的因素为：Fe2+投加量>H2O2投加量>pH值>反应时间，设计的试验组合以A2B3C3D3的组合最好，即CODCRCr和色度去除的最佳条件是：H2O2投加量为0.5mL/L，FeSO4·7H2O投加量为150mg/L，pH值为3，时间为30min。不过为了确定最佳投加量，还需做单因素试验进行进一步研究。4.实验结果分析 本实验采用单因素实验法来探究实验结果的影响因素以及出现实验结果的分析。主要利用通废水中CODCR的去除率和色度去除率来表征废水处理效果。以茜红素和甲基红作为代表物质进行试验研究。4.1不同的过氧化氢投加量对处理效果的影响试验条件：将混凝沉淀过后的100mL上清液，控制温度为28℃，pH值为3，反应时间60min，考察不同H2O2对不同模拟水样的色度和CODCRCr去除率的影响。所得结果如表4.1和4.2所示。表4.1H2O2投加量对茜素红溶液处理效果的影响H2O2投加量ml/L色度去除率%CODCRcr去除率%0.259.646.80.516.770.8115.869.41.515.667.8表4.2H2O2投加量对甲基红溶液处理效果的影响H2O2投加量ml/L色度去除率%CODCRcr去除率%0.255.840.80.56.761.916.260.71.55.858.7从图4.1所呈现的内容我们可以看出两种染料的CODCR去除率随着过氧化氢不同的加入量所呈现的规律。随着加入的过氧化氢的量的增加，三种染料的CODCR去除率都逐渐增大。并且在过氧化氢量较低时，茜素红的CODCRCr去除率增大的趋势更明显，在过氧化氢量增大大，染料的CODCRCr略有下降。此染料的色度去除率呈现的规律是在H2O2投加量较低时，色度去除率增加的较快，在投加量达到一定值后，色度去除率略有下降。 原因分析：茜素红染料的CODCRCr去除率随着过氧化氢加入量的增加所呈现的上述规律是由于过氧化氢和亚铁离子的相互作用随着过氧化氢的加入量的改变而发生变化的原因。在加入的过氧化氢的量比较小时，随着过氧化氢的逐渐增加，促进了具有氧化作用的羟基的生成。羟基自由基增多后就加速了印染废水中三种燃料的氧化，所以CODCR去除率增大了。但是这种通过增加过氧化氢的量来促进羟基生成的做法有一定的限度，即当过氧化氢的量达到一定值时，不仅不再促进羟基的生成，反而减小了羟基的生成量。这是由于过氧化氢将亚铁离子氧化为三价铁离子的同时，还原强氧化性的羟基为氧气。这就表明一味的增加过氧化氢就消耗了对于处理废水起决定作用的羟基基团，势必造成三种染料的CODCR去除率的减小。检测进行试验的印染废水发现废水中含有高锰酸钾等强氧化剂，随着过氧化氢的增大，过氧化氢就可以和这些强氧化剂发生氧化还原反应，生成耗氧的有机物，无疑增加了CODCR值，也就是减小了CODCR去除率。过氧化氢量较低时，过氧化氢与亚铁离子生成具有氧化性的羟基，羟基氧化茜红素，令其脱色，所以色度去除率增大，在此阶段的羟基大量生产，所以色度去除率增加的很快。当继续增加氧化氢量时，Fenton试剂内部作用，亚铁离子这一催化剂多被过量的过氧化氢氧化生成了具有明显黄色的三价铁离子，加之反应生成了较多的沉淀物，所以色度去除率虽然随着氧化反应仍在增加，但是增速变缓，到最后此效应超过羟基氧化反应时，色度去除率就减小了。对于甲基红溶液的影响效果与茜红素溶液基本相同，对于茜红素的色度去除率优于甲基红溶液，CODCR去除率相差不大，出现此规律的原因基本相同。4.2不同的亚铁离子用量对处理效果的影响选择的试验条件：H2O2的投加量为0.5mL/L，pH值为3，反应时间为60min，温度28℃，考察FeSO4·7H2O对色度和CODCr去除率的影响所得结果如表4.3和4.4所示。表4.3Fe2+质量浓度对处理效果的影响FeSO4.H2O投加量ml/L色度去除率%CODCRcr去除率%5090.431.27590.762.510091.168.812589.469.815091.474.817589.769.520088.738.5表4.4Fe2+质量浓度对甲基红溶液处理效果的影响 FeSO4.H2O投加量ml/L色度去除率%CODCRcr去除率%5030.438.47531.160.410041.260.912540.554.615037.249.817536.447.520034.643.6从表4.2和4.4所呈现的内容我们可以看出两种染料的CODCR去除率首先随着硫酸亚铁加入量的增加而增大，在硫酸亚铁的加入量低于100ml/L时，试验所选为研究内容的两种染料的CODCR去除率增大的非常快，趋势很明显。在硫酸亚铁的加入量大于一定值后，两种染料的CODCR去除率缓慢减小，色度去除率也是先增大，后减小，但是数值变化不大。原因分析：在Fenton试剂中，硫酸亚铁所提供的亚铁离子是作为催化剂存在的，催化过氧化氢产生具有强氧化性的羟基基团。当亚铁离子的浓度过低时，不能够催化产生足以氧化两种色素的羟基。由物化知识我们知道催化剂的浓度影响催化效果，底物（过氧化氢）足够多时，催化剂（亚铁离子）越多，产生的羟基就越多。所以随着亚铁离子的增加，羟基骤然增肌，使得废水中的染料被迅速氧化，导致CODCR去除率快速增加，色度去除率也增加。但是随着亚铁离子的继续增加，过氧化氢就和其反应生成带有黄色的三价铁离子，使得废水的色度发黄，难以去除颜色，所以色度去除率逐渐减小了。根据分析我们得出了不能通过加入足够多的亚铁离子以其无限增大CODCR去除率。催化剂的量超过了最适量后，就不再进行催化，所以当亚铁离子增加到较大值时，羟基很少增加，导致两种染料的CODCR去除率增加的幅度很小。由于亚铁离子在Fenton试剂中主要是起到催化产生具有强氧化性羟基的作用，对于染料的色度去除率影响不大，所以色度去除率的变化幅度不大。4.3不同初始pH值对处理效果的影响试验条件：H2O2的投加量为0.5mL/L，FeSO4·7H2O100mL/L，反应时间60min，温度28℃，考察pH值对不同水样的处理效果，实验结果如表4.5和4.6所示。表4.5pH值对茜素红溶液处理效果的影响 ph值色度去除率%CODcr去除率%190.242.5289.569.8394.580.1491.579.6590.878.4686.562.8787.661.8888.754.21072.643.11270.928.7表4.6pH值对甲基红溶液处理效果的影响ph值色度去除率%CODcr去除率%110.248.6240.660.2343.864.1442.762.8541.261.6634.858.4726.848.1821.643.91019.841.21210.540.3从上面两表我们可以看出两种染料的CODCR去除率随着PH值的增大呈现先增大，增大到最大值后维持平稳，后又降低的规律。原因分析：Fenton试剂是在酸性条件下发生反应生成具有强氧化性的羟基基团来氧化废水中的染料的。过氧化氢在亚铁离子的催化作用下生成了羟基和氢离子，当PH值较小时，试剂的酸性越强。氢离子越多，大量的氢离子就会反过来抑制过氧化氢生成羟基基团，这就解释了随着氢离子浓度的减小，即PH的增大，两种染料的CODCR去除率和色度去除率均呈现增大的规律。从实验结果发现PH为3时，效果最好，在3左右时波动不大。当PH继续增大时，氢离子浓度过低，不足以维持过氧化氢和亚铁离子相互作用生成羟基，羟基减少，所以CODCR去除率逐渐减小，PH大于7时，就彻底不能产生羟基，也就不能氧化染料，两种染料的CODCR去除率和色度去除率都减小了。4.4反应时间对处理效果的影响。对反应时间进行单因素实验，根据以上的试验结果，Fenton试剂反应较快，60min内反应基本完成，60min后再延长时间，CODCr 的去除率和色度去除率随时间增加非常缓慢，水溶性染料与分散性染料相比，速度稍微较快，但两种染料在30min内基本能完成反应。。原因分析，在前半段，过氧化氢和亚铁离子相互作用产生的羟基基团逐渐增多，所以CODCR和色度去除率增大，但是在后半段，过氧化氢和亚铁离子发生氧化还原反应，生成了三价铁离子，CODCR去除率和色度去除率自然增速变缓。根据实验结果选定30min为最佳反应时间。结论众所周知，我国的纺织业发达，产生的大量工业废水已经将大小河流污染的鱼虾不生了，严重影响了当地居民的生活和健康，我国迫切的需要高效经济的印染废水处理机制，人们发明了混凝法、生物法、电解法、膜分离、絮凝法等诸多的净化废水的方法，各方法在工业上得到了大量的应用，但是实践证明个方法存在着优点和缺点，且弊大于利。我们借鉴其他同仁的研究，发现Fenton试剂深度处理印染废水有着卓越的效果，但是如何通过他的影响因素来研究如何更好地掌握和控制这一技术，就成了我们研究的重点。本文参照了国内外相关文献，设计了H2O2、FeSO4、初始pH值以及反应时间为研究对象的四水平四因素试验，确认了最佳操作条件，即过氧化氢的投入量为0.5mL/L，硫酸亚铁的加入量为150mg/L，反应时间为3，PH为30min。又通过以上四个研究对象的单因素实验研究了四个因素对于废水染料CODCR去除率和色度去除率的影响机理，验证了最佳条件的选择是合理的。致谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声，岁月如梭，大学时光也即将敲响结束的钟声。在大学四年里，尤其是最后一学期的毕业论文的写作过程中，我受益颇深。首先感谢我的指导老师XXX教授，这篇论文是在X老师的的悉心指导与鼓励下完成的。X老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都将深深地感染和激励着我。在此谨向X老师致以诚挚的感谢！实验能够顺利完成还要感谢各位老师同学的帮助和支持。还要感谢含辛茹苦的父母，为我的学习创造了条件，并一如既往的站在我的身后默默的支持着我。通过本学期的学习，不仅培养了我，还锻炼了我思考以及分析问题解决问题的能力，树立起我严谨的科学态度。同时让我看到了自身存在的缺点和不足，为我今后的学习提高指明了方向。参考文献 [1]李勇,朱素芳,郑定成.Fenton氧化技术处理印染废水的实验研究.环境科学导刊,2012[2]谭万春,王云波.混凝——Fenton试剂对印染废水的处理.长沙理工大学学报,2010[3]吕艳菲.FENTON氧化技术处理印染废水.环境科技,2009[4]崔家琪,林旭龙.Fenton氧化——原水调节出水PH法预处理碱性印染废水.化工环保,2012'